Introduzione al processo di produzione dell'acciaio con forno elettrico e alle operazioni chiave

Introduzione al processo di fabbricazione dell'acciaio in forno ad arco elettrico e operazioni chiave

1. Caricamento

Il caricamento è l'operazione iniziale nel processo di fabbricazione dell'acciaio in forno ad arco elettrico (EAF), che prevede il caricamento di materie prime, principalmente rottami di acciaio e talvolta metallo caldo (ferro fuso), nel forno.

2. Formazione della scoria

Questa operazione prevede la regolazione della composizione, della basicità, della viscosità e della reattività della scoria. Ad esempio, durante l'insufflaggio di ossigeno, l'obiettivo è generare una scoria con sufficiente fluidità e basicità per trasferire efficacemente l'ossigeno alla superficie del metallo. Ciò facilita la riduzione dello zolfo e del fosforo a livelli inferiori ai limiti specificati per la qualità dell'acciaio desiderata, minimizzando al contempo gli spruzzi e le fuoriuscite di scoria.

3. Rimozione della scoria

A seconda delle specifiche condizioni di fusione e degli obiettivi, la rimozione o la sostituzione della scoria viene eseguita in varie fasi. Ad esempio:

   Quando si utilizza una pratica a singola scoria, la scoria ossidante deve essere rimossa ("scremata") alla fine del periodo di ossidazione.

   Quando si utilizza una pratica a doppia scoria per creare una scoria riducente, la scoria ossidante iniziale deve essere completamente rimossa per prevenire l'inversione del fosforo (il ritorno del fosforo dalla scoria all'acciaio fuso).

4. Agitazione del bagno

L'energia viene fornita al bagno fuso per indurre il movimento nell'acciaio fuso e nella scoria, migliorando così la cinetica delle reazioni metallurgiche. L'agitazione può essere ottenuta attraverso diversi metodi, tra cui l'iniezione di gas (ad esempio, gas inerti come Ar o N₂), mezzi meccanici o induzione elettromagnetica.

5. Defosforazione

Questa è la reazione chimica volta a ridurre il contenuto di fosforo nell'acciaio fuso. Il fosforo è un'impurità dannosa, poiché alti livelli possono causare fragilità nell'acciaio a basse temperature, nota come "fragilità a freddo". L'effetto di fragilizzazione peggiora con l'aumentare del contenuto di carbonio. Le specifiche standard limitano tipicamente il fosforo a un massimo dello 0,045% per i gradi comuni, con limiti ancora più severi per gli acciai di alta qualità.

6. Agitazione del fondo EAF

Gas come N₂, Ar, CO₂, CO, CH₄ o O₂ vengono iniettati nel bagno fuso attraverso ugelli (ugelli) installati nel fondo del forno. Ciò serve ad accelerare la fusione e migliorare le reazioni metallurgiche. I vantaggi dell'agitazione dal basso includono:

   Tempo di colata ridotto e minore consumo di energia.

   Defosforazione e desolforazione più efficienti.

   Maggiore recupero di elementi di lega come il manganese.

   Migliore omogeneizzazione della composizione e della temperatura dell'acciaio, con conseguente migliore qualità, costi inferiori e maggiore produttività.

7. Periodo di fusione

Specificamente per le operazioni EAF, il periodo di fusione va dall'accensione iniziale fino a quando la carica solida non è completamente liquefatta. Gli obiettivi principali sono fondere rapidamente la carica, aumentarne la temperatura e formare una scoria preliminare.

8. Periodo di ossidazione e decarburazione

Nella pratica EAF convenzionale, il periodo di ossidazione inizia tipicamente dopo la fusione della carica e si estende fino alla rimozione della scoria ossidante. Un compito chiave è la decarburazione, in cui l'ossigeno reagisce con il carbonio per formare gas CO. Una decarburazione sufficiente (spesso >0,2%) è fondamentale per raffinare la purezza dell'acciaio rimuovendo gas e inclusioni. Il periodo di ossidazione gestisce anche la rimozione del fosforo e l'omogeneizzazione del bagno. Con l'ascesa della metallurgia secondaria, gran parte di questa raffinazione per ossidazione viene ora spesso spostata in siviera o in unità di raffinazione separate.

9. Periodo di raffinazione

Questo termine generale si riferisce alle fasi del processo in cui specifici elementi o composti dannosi vengono rimossi dall'acciaio fuso. Ciò si ottiene attraverso reazioni chimiche che li trasferiscono nella fase gassosa o li fanno galleggiare in uno strato di scoria per la rimozione.

10. Periodo di riduzione

Nella pratica EAF convenzionale, il periodo di riduzione segue il periodo di ossidazione e precede la colata. Il suo scopo principale è creare un'atmosfera di scoria riducente per la deossidazione finale, la desolforazione, la regolazione precisa della composizione e l'omogeneizzazione della temperatura. Questo periodo viene in gran parte eliminato nelle moderne operazioni EAF ad alta potenza e ultra-alta potenza, che si concentrano sulla fusione rapida e sul trasferimento delle attività di raffinazione a unità esterne.

11. Metallurgia secondaria (raffinazione in siviera)

Ciò comporta il trasferimento dell'acciaio fuso primario dall'EAF (o da un altro recipiente di fabbricazione dell'acciaio primario) a un recipiente separato per un'ulteriore raffinazione. Il processo di fabbricazione dell'acciaio è quindi diviso in due fasi:

   Fusione primaria: fusione, defosforazione iniziale, decarburazione e legatura grezza in un'atmosfera ossidante.

   Raffinazione: degasaggio finale, deossidazione, desolforazione, rimozione delle inclusioni e messa a punto della composizione, spesso sotto vuoto, gas inerte o atmosfere riducenti.

Questa divisione migliora la qualità dell'acciaio, riduce i tempi del forno primario e ottimizza i costi e la flessibilità del processo. I metodi di raffinazione in siviera variano ampiamente, classificati in base alla pressione (atmosferica o sottovuoto) e all'approccio di trattamento (lavorazione in siviera vs. raffinazione in forno a siviera dedicato).

12. Agitazione in siviera

L'agitazione dell'acciaio fuso durante la metallurgia secondaria è fondamentale. Omogeneizza la temperatura e la composizione e accelera le reazioni di raffinazione migliorando il trasferimento di massa alle interfacce di fase. Le reazioni che potrebbero richiedere 30-60 minuti staticamente (ad esempio, la desolforazione) possono essere completate in 3-5 minuti con l'agitazione. L'agitazione aumenta anche notevolmente la velocità con cui le inclusioni non metalliche galleggiano fuori dal bagno di acciaio.

13. Alimentazione a filo in siviera

Questa tecnica prevede l'alimentazione di fili con anima o fili pieni (ad esempio, contenenti polvere di lega Ca-Si, alluminio o carbonio) nella siviera di acciaio fuso utilizzando un alimentatore a filo. Consente la desolforazione profonda, il trattamento con calcio (per il controllo della forma delle inclusioni) e la micro-legatura precisa o la rifinitura della composizione. Contribuisce inoltre alla deossidazione finale e migliora la pulizia dell'acciaio.

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